4.3.3.1 Giới thiệu phương pháp.
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.
Hình 4.6:Đồ thị dạng xung điều xung PWM.
4.3.3.2 Nguyên lý của phương pháp.
Đây là phương pháp được thực hiên theo nguyên tác đóng ngắt nguồn có tải một cách có chu kỳ theo điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần tử thực hiện đóng ngắt là các van bán dẫn.
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý dùng PWM điều khiển điện áp tải(trái) Sơ đồ xung van điều khiển và đầu ra(phải).
Trong khoảng thời gian 0 – t0 ta cho van Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Trong thời gian t0 – T cho van Q1 khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải.
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi t0 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải. Ta có:
Ud = Umax.( t0/T) (V) hay Ud = Umax.D
(Với D = t0/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM)
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ là:
Ud = 12×20% = 2,4V ( Với D = 20%) Ud = 12×40% = 4,8V (Với D = 40%) Ud = 12×90% = 10,8V (Với D = 90%)
4.3.4 Giới thiệu về ADC của PIC16F877A.[3]
ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
Hình 4.8: Nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý chọn kênh ADC.
Bộ chuyển đổi ADC có cấu trúc độc lập để có thể hoạt động trong khi vi điều khiển đang ở chế độ SLEEP, xung cung cấp cho ADC lấy từ dao động RC bên trong của khối ADC.
Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số là 10 Bit số tương ứng và được lưu trong 2 thanh ghi: ADRESH, ADRESL.
Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể được sử dụng như các thanh ghi thông thường khác. Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ được lưu vào 2 thanh ADRESH, ADRESL. Bit được xóa về 0 và cờ ADIF được SET.
Chương 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH SẠC PIN LITHIUM-ION.
5.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch sạc pin Lithium-Ion.
Mạch sạc pin Li-ion bao gồm mạch động lực, mạch đo lường và mạch điều khiển: 1) Mạch động lực: gồm khối chỉnh lưu cầu nhận điện áp xoay chiều từ lưới và cho
ra điện áp một chiều có giá trị cố định. Mạch điều áp một chiều buck/boost ứng dụng MOSFET sẽ đảm bảo việc tăng hoặc giảm điện áp cấp cho pin/ắc-quy trong quá trình sạc.
2) Mạch đo lường: đo dòng điện và điện áp sạc cũng như đo nhiệt độ của pin/ắc- quy trong quá trình sạc.
3) Mạch điều khiển: điều khiển quá trình sạc: sử dụng vi điều khiển để điều chỉnh xung PWM cho mạch buck/boost nhằm thay đổi điện áp và dòng điện sạc cho phù hợp với qui trình sạc; theo dõi nhiệt độ của pin/ắc-quy trong quá trình sạc để tăng hoặc giảm điện áp sạc, cảnh báo; kiểm soát thời gian sạc...
Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium-Ion.
Mạch nguồn chỉnh lưu AC/DC Mạch Buck/Boost DC/DC Pin Lithium-Ion Đo dòng và áp U/I PIC 16F877A Đo nhiệt độ T
5.2 Tính toán, thiết kế mạch động lực.
Mạch động lực đảm nhận vai trò nhận điện áp xoay chiều từ lưới, chỉnh lưu thành điện áp một chiều và sau đó điều chỉnh giá trị của điện áp một chiều cho phù hợp với giá trị yêu cầu của pin/ắc-quy trong suốt quá trình sạc.
Điện áp ra sau mạch biến đổi DC/DC (buck/boost) sẽ được điều khiển nhờ nhận tín hiệu điều khiển xung từ mạch điều khiển để thay đổi chu kỳ đóng mở của van bán dẫn công suất để thay đổi, điều khiển đầu ra theo các chế độ tương ứng.
Tiếp theo là phần tính toán và thiết kế mạch động lực cho mô hình pin Lithium-ion 12 V - 8,800 Ah:
5.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010 có khả năng cho ra dòng điện một chiều tối đa 10 A và chịu được điện áp ngược lên tới 1000V.
Hình 5.2: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010.
5.2.2 Mạch nguồn nuôi vi điều khiển và các IC trong mạch.
Vì bộ điều khiển cần cấp nguồn liên tục nên ta cần có mạch nguồn cung cấp. Ngoài ra cũng cấp nguồn cho mạch động lực.
Hình 5.4: Mạch nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và IC.
5.2.3 Mạch nạp theo nguyên lý buck.
Hình 5.5: Sơ đồ mạch DC-DC theo nguyên lý buck.
Do trong ORCAD không có IR2184 nên trong sơ đồ trên IR2184 được nối theo số thứ tự chân.
Điện áp lưới thay đổi ±10% nên ta có điện áp vào sau bộ chỉnh lưu là 28-34 V và dòng điện cực đại Imax = 10A.
Mục tiêu thiết kế bộ nạp DC-DC buck cho pin Lithium-ion 12V-8,8Ah.
Vin 28 – 34 V IINmax 10A Vout 7,5-12,6 V IOUTmax 4,4 A Tần số PWM 20 KHz U Uc ∆ 1%
Bảng 5.1:Bảng thông số các đại lượng cần thiết để thiết kế bộ nạp DC-DC.
5.2.3.1 Tính toán hệ số duty cycle (D).
Ta có phương trình đối với mạch Buck (4.1):
Suy ra: 0.22≤ D ≤0,45
5.2.3.2 Tính chọn giá trị cuộn cảm (L). [6]
Chọn tụ 3300 µF - 50 V.
5.2.3.4 Tính chọn van MOSFET.
Chọn MOSFET dựa trên 2 thông số chủ yếu:
− Điện áp đánh thủng lớn nhất VBR.
− Dòng điện đỉnh IPM.
Tại thời điểm MOSFET chuyển từ ON sang OFF dòng qua van lớn nhất: IMOSFET = 130%. 10 = 13A
Vin max = 34V
VMOSFET = 130%. 34 = 44,2 V (chọn hệ số dự trữ 30%). Chọn MOSFET IRF540 có I = 23 A , V = 100 V.
5.2.3.5 Tính chọn Diode.
Cũng tương tự như tính chọn MOSFET chọn diode dựa trên điện áp đánh thủng và dòngđiện đỉnh
Idiode = 130%.10 = 13A Vdiode = 130%. 34 = 44,2 V
Dùng 4 Diode FR307 mắc song song. Thông số FR307: I = 3 A, V = 35 V.
5.2.3.6 Chọn IC điều khiển MOSFET.
Điều khiển MOSFET cao theo nguyên lý boostrap nên ta chọn IC IR2184:
− IR2184 được thiết kế điều khiển với điện ápnguồn lên đến +600 V, có thể đóng mở MOSFET với tần số cao, cung cấp cho cực cổng MOSFET điện áp (VGS) từ 10 V đến 20 V.
− Là IC chống trùng dẫn tốt với tín hiệu logic điều khiển từ 3.3 V đến 5 V.
5.3 Thiết kế mạch điều khiển.
− Đọc tín hiệu ADC từ 3 kênh: dòng điện sạc, điện áp sạc và nhiệt độ của pin/ắc- quy.
− Tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển trong các chế độ nạp khác nhau.
− Điều khiển đóng cắt sạc pin và bảo vệ pin khỏi quá tải.
Trung tâm mạch điều khiển ta chọn vi điều khiển PIC 16F877A để thực hiện các nhiệm vụ trên.
Các kênh ADC đầu vào đọc từ 4 chân RA0, RA1, RA2 cho các đại lượng điện áp, dòng điện, nhiệt độ.
5.4 Tính chọn các phần tử của mạch đo lường.5.4.1 Đo dòng điện sạc. 5.4.1 Đo dòng điện sạc.
Để đo dòng ta dùng IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712.
Hình 5.7 IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712.
Tóm tắt về các đặc tính cơ bản của IC đo dòng ACS712 như sau:
− Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp.
− Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới.
− Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs.
− Băng thông 80kHz.
− Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%.
− Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ.
− Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ.
− Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8.
− Nguồn vận hành đơn 5V.
− Độ nhạy ngõ ra từ 96 đến 104mV/A.
− Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC.
− Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định.
− Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp. Tính toán sai số phép đo:
- Ta dùng bộ chuyển đổi ADC 10 bit của pic 16f877a nên ta có:
- Với độ nhạy của ASC712 là từ 96 mV/A đến 104 mV/A ta lấy trung bình là 100 mV/A. Ta có sai số phép đo:
5.4.2 Đo điện áp.
Để đo điện áp ta dùng cầu phân áp bằng điện trở độ chính xác 1%. Ta có công thức tính điện trở phân áp để lấy điện áp về đưa vào đầu vào ADC của vi điều khiển từ điện áp ra của mạch DC/DC cấp cho pin/ắc-quy khi sạc:
Ta có điện áp một chiều DC đầu vào cực đại từ chỉnh lưu VINmax = 35,2 V và điện áp cực đại của ADC là VDD = 5 V. Vậy tỷ lệ điện trở cầu áp là:
Chọn R1 = 60 kΩ và R2 = 10 kΩ để đảm bảo dòng điện trong mạch đo rất nhỏ (cỡ 32,5V/110 kΩ = 0,503 mA ) ta có: Vđo = V*0,14286 hay V = Vđo*7.
R1
R2
Điện áp đo có sai số 4,883 mV từ bộ ADC nên sai số của điện áp cần đo V là:
Pin Li-ion có dung sai yêu cầu ±50 mV > 34,181 mV nên phép đo trên đạt yêu cầu về độ sai lệch điện áp.
5.4.3 Đo nhiệt độ.
Để đo nhiệt độ ta dùng IC cảm biến nhiệt độ sử dụng các phần tử bán dẫn LM35. IC này có đầu ra trực tiếp là điện áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ nhạy 10mV/oC. Dải nhiệt độ từ -55oC đến 150oC với sai số 0,5oC.
5.5 Chương trình điều khiển.5.5.1 Lưu đồ thuật toán. 5.5.1 Lưu đồ thuật toán.
VOUT>4,2V/CELL ĐD SD ĐD ĐD SD SD ĐD SD ĐD VOUT<4,2V/CELL 100C ≤ TPIN ≤ 45OC Duty=duty+1 Duty=duty-1 VOUT ≥ 4,2V/CELL I=0,5C Duty=duty-1 IOUT=0,03C Kết thúc VOUT = 4,2V/CELL Duty=duty+1 Duty=duty-1 ĐD SD ĐD SD SD ĐD ĐD I<0,1CD I>0,1CD I>0,5CD I<0,5CD ĐD ĐD SD 100C ≤ TPIN ≤ 45OC VOUT ≥ 2,5V/CELL 100C ≤ TPIN ≤ 45OC VPIN > 0 I=0,1 C Bắt đầu ADC → VIN ,VPIN VPIN > 2,5V/CELL Duty=duty+1
5.5.2 Chương trình điều khiển.
Chương 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI
6.1 Mô hình đề tài.6.1.1 Mạch điều khiển. 6.1.1 Mạch điều khiển.
Hình 6.1: Mạch điều khiển.
Mạch điều khiển gồm:
1. Domino nối dây ra các nút nhấn. 2. Jack cắm 2 led 7 đoạn.
3. Jack cắm LCD. 4. Jack cắm ADC. 1 4 3 2
6.1.2 Mạch nguồn, mạch động lực và các khối đo lường.
Hình 6.2: Mạch nguồn, mạch động lực và các khối đo lường.
1. Mạch nguồn:
− Nguồn 12 VDC.
− Nguồn 5 VDC. 2. Mạch động lực:
− Nguồn 32 VDC.
− Bộ chuyển đổi DC/DC buck. 3. Các khối đo lường:
− Đo điện áp.
− Đo dòng điện.
2
6.1.3 Mô hình tổng thể.
Hình 6.3: Mô hình tổng thể bộ sạc nhanh pin Lithium-ion.
Mô hình gồm:
- LCD hiển thị điện áp và dòng điện. - 2 LED 7 đoạn hiển thị nhiệt độ. - 4 nút nhấn điều khiển.
- 2 LED báo nguồn và báo sạc. - Công tắc ON/OFF nguồn.
6.2 Kết luận đề tài.
• Kết quả nghiên cứu:
− Thiết kế được mô hình mạch sạc pin Lithium-Ion, mạch sạc gồm bộ DC-DC sạc cho pin, mạch điều khiển sạc, mạch đo dòng, áp và nhiệt độ của pin.
− Xây dựng được phần mềm điều khiển.
• Kết luận và hướng phát triển:
− Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển” đã thực hiện được nhiều điểm mấu chốt trong việc sử dụng các mục đích khác nhau. Đề tài tạo ra một bộ sạc có thể sạc nhanh pin làm cho hiệu suất sử dụng tối ưu, rút ngắn được thời gian sạc đáp ứng cho nhu cầu các thiết bị và người sử dụng, cụ thể:
− Mạch động lực có thể tăng áp hoặc giảm áp (buck/boost) để có thể đáp ứng cho việc sạc nhiều loại pin và ắc-quy với mức điện áp và dung lượng khác nhau.
− Có phản hồi dòng điện và điện áp sạc cũng như nhiệt độ của pin/ắc-quy để điều khiển quá trình sạc. Việc phản hồi điện áp và dòng điện có thể giúp cho quá trình ổn định dòng điện và điện áp chất lượng cao, thích hợp với yêu cầu cao của quá trình sạc pin Li-ion.
− Quá trình sạc được điều khiển bởi vi điều khiển, chương trình có thể lập trình được nên rất linh hoạt.
• Về điểm hạn chế: mạch còn cồng kềnh, quấn cuộn cảm còn chưa tốt. Để hoàn thiện về sau chúng em sẽ tìm phương án thay thế vi điều khiển PIC16F877A và làm mạch nhỏ gọn, hoàn chỉnh hơn, cũng như hoàn thiện chương trình điều khiển nhằm tăng tính linh hoạt để thay thế mạch sạc trên thị trường hiện nay.
Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Quốc Huy và các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ em để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN #include<htc.h> #define RS RC0 #define EN RC3 #define D4 RC4 #define D5 RC5 #define D6 RC6 #define D7 RC7 #define _XTAL_FREQ 20000000 __CONFIG(0x2F0A); #include "lcd.h"
unsigned char LED_TABLE[10]= {0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; // thu vien so led 7doan tu 0-->9
unsigned char cuxi[7]; unsigned char tam[6]; unsigned char helen[7]; unsigned char hieu[7]; unsigned char jolly[5];
unsigned int x,y,z,n,m,v,c,duty,a,b,d,p,e,f; float voltage, current, t, u1, u2, u3, i; /*====== 16-bit data =========*/
unsigned int ADRES0 = 0x00, ADRES1 = 0x00, // tin hieu thu duoc... ADRES2 = 0x00, ADRES3 = 0x00, // tu 5 cam bien... ADRES4 = 0x00;
/* ==================== PWM ==============================*/ void pwm_config(duty)
{
TMR2ON = 0; // stop timer 2 TMR2 = 0x00;
PR2 = 0xFF;
CCP2CON = 0x00; // CCP mode is OFF
TRISC1 = 0; // Make pin CPP2 as output, PORTC<1> CCPR2L = duty;
CCP2CON = 0B00001100; // PWM mode, DCxB1:DCxB0 = 0:0 CCP1CON = 0x00; // CCP mode is OFF
TRISC2 = 0; // Make pin CPP2 as output, PORTC<1> CCPR1L = duty;
CCP1CON = 0B00001100; // PWM mode, DCxB1:DCxB0 = 0:0 T2CKPS1 = 0; // prescaler ratio = 0
T2CKPS0 = 0; // 1-0,1-1 => chia 16; 0-1 => chia 4; 0-0 => chia 1 TMR2ON = 1; // start timer2
}
/* ================= Analog to Digital conversion ===============*/ void ADC_config(void)
PORTA = 0x00; PORTE = 0x00;
// PORTA, PORTE as input pins TRISA0 = 1; TRISA3 = 1; TRISA1 = 1; TRISA5 = 1; TRISA2 = 1;
// Right justified. Six (6) Most Significant bits of ADRESH are read as ‘0’. ADFM = 1;
// A/D Conversion Clock = FOSC/64 = 12Mhz/64 = 187.5Khz ADCS2 = 1; ADCS1 = 1;
ADCS0 = 0;
/* Vref+ = Vdd , Vref- = Vss (5/0) */ PCFG3 = 0; PCFG2 = 0;
PCFG1 = 1; PCFG0 = 0;
/* CHS2:CHS0: Analog Channel Select bits */ // 000 = Channel 0 (AN0)
CHS0 = CHS1 = CHS2 = 0; // Turn on A/D module ADON = 1;
/* ========== Step 2: Configure A/D interrupt ============== */ // Clear A/D interrupt flag bit
ADIF = 0;
// Enable A/D interrupt ADIE = 1; PEIE = 1; GIE = 1;
/* =========== Step 3: Wait the required acquisition time ....
Minimum Acquisition time: 19,72 uS =======================*/ __delay_us(30);
/* =========== Step 4: Start A/D Conversion ================= */ GO_DONE = 1;
/* Step 5: Waiting for the A/D interrupt ... */ } /* ==================== Main program ==============================*/ void main() { TRISB0 = 1; // input TRISB1 = 1; TRISB2 = 1; TRISB3 = 1; TRISB4 = 1; TRISB5 = 0; // Output TRISB6 = 0;